化学动力学过程在燃烧中的作用

2.1 影响反应速率的因素
许多因素影响化学反应速率，列举如下。
2.1.1 反应物的本质
当反应物不同时，反应速率发生变化。酸碱反应、盐的形成和离子交换是快 速反应。当在分子之间形成共价键，大分子形成时，反应便非常缓慢。反应物分 子键的性质和强度极大地影响了转化为生成物的速率。 涉及更少键重组的反应的 速率远远大于那些涉及更大键重组的反应[4]。
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2.1.2 温度
温度通常对一个化学反应速率产生主要影响。 处于高温状态下的分子有更多 的热力学能量。 尽管在高温状态下碰撞频率更大， 然而这对提升反应速率的贡献 仅占非常小的比重。远为重要的事实是：带有充足能量参与反应（能量大于活化 能 ： E > Ea ） 的 反 应 物 分 子 的 比 例 有 了 显 著 提 升 ， 其 具 体 机 理 可 由 Maxwell–Boltzmann 分子能量分布解释。
化学动力学过程 在燃烧中的作用
学院名称 专业名称 学生姓名 学号
宇航学院 航空宇航推进理论与工程 段毓 SY1615306
2016 年 12 月 13 日
目录
1 2 绪论 .............................................................................................................. 1 化学动力学 .................................................................................................. 2 2.1 影响反应速率的因素........................................................................ 2 2.1.1 反应物的本质 ............................................................................. 2 2.1.2 温度 ............................................................................................. 3 2.1.3 浓度影响 ..................................................................................... 3 2.1.4 物理状态 ..................................................................................... 3 2.1.5 催化剂 ......................................................................................... 3 2.1.6 压强 ............................................................................................. 4 2.1.7 化学平衡 ..................................................................................... 4 2.1.8 自由能 ......................................................................................... 4 2.2 速率方程和速率常数........................................................................ 5 2.2.1 微分法 ......................................................................................... 5 2.2.2 0 级反应 ....................................................................................... 5 2.2.3 1 级反应 ....................................................................................... 6 2.2.4 2 级反应 ....................................................................................... 6 2.2.5 半衰期 ......................................................................................... 7 3 4 Arrhenius 定律 ............................................................................................. 7 初级燃烧反应理论 ...................................................................................... 8 4.1 双分子反应 .................................................................................... 9
4.2 离解复合反应 ................................................................................ 9 5 氢和一氧化碳的氧化 .................................................................................. 9 5.1 先前的研究和速率常数论文 ........................................................ 9 5.2 目前状态 ........................................................................................ 9 6 参考文献 .................................................................................................... 11
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的表达式和数据进行测试。 一些简单的速率表达式可以手算出来，但是大多数仅 能通过计算机程序进行数值计算。有许多计算机算法可用于解决这类问题。
2 化学动力学
1864 年，Peter Waage 和 Cato Guldberg 提出质量作用定理，从而开创了化学 动力学的发展。 质量作用定理阐述了化学反应的速度与反应物的数量是成比例的
[2]
。 化学反应速率指反应物或产物的浓度或数量的速率的变化。 对于数量的变化，
单位可以是 mol/s、g/s、lb/s、kg/day 等其中的一种；对于浓度的变化，单位可以 是 mol/(L s)、g/(L s)、%/s 等其中的一种。 对于反应速率， 我们要根据试验条件处理平均速率、 瞬时速率或者初始速率。 热力学和动力学是影响反应速率的两大因素。 对于化学反应中能量的获取或 释放的研究称为热力学，这些关于能量的数据称为热力学数据。但是，热力学数 据和反应速率并没有直接的关系，因此动力学因素可能更加重要。比如，在室温 条件下（一个比较宽的温度范围） ，热力学数据表明钻石应当转化为石墨，但是 事实上，转化速率实在是太缓慢了，以至于大多数人认为钻石恒久远[3]。
2.1.3 浓度影响
浓度在反应中扮演着非常重要的角色，因为根据化学反应碰撞理论，分子间 必须通过碰撞从而发生反应。当反应物浓度升高时，分子间碰撞频率增大，在任 何时间节点能够进行更近距离的联接触，相互发生更高频率的撞击。想象两种反 应物处于同一封闭容器中： 内部所有的分子连续不断地碰撞。 通过提高一种或多 种反应物的数量，这些碰撞会发生地更为频繁，从而提升反应速率。
2.1.5 催化剂
在特性方面， 催化剂在化学反应中起重要作用。 常用的势能图显示了催化剂 在ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ个基于假设的吸热化学反应中的作用。 催化剂的存在开辟了一条不同的低活 化能反应之路。 与无催化剂条件相比，最终的反应结果和总的热力学参数是一样
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的。 催化剂是一种加速化学反应速率且同时能够保持化学稳定性的物质。 催化剂 通过提供一种不同的低活化能反应机理来加速反应速率。自催化反应中，反应产 物本身对该反应是一种形成正反馈的催化剂。 在生物化学反应中发挥催化剂作用 的蛋白质被称作酶。Michaelis-Menten 动力学描述了酶影响反应的速率。催化剂 不影响化学平衡的状态，因为催化剂同等地加速正向反应和逆向反应进程。
1 绪论
化学动力学是研究化学反应机理及化学反应速率的一门科学， 燃烧是一种剧 烈的化学反应。 化学反应速率控制燃烧速率；化学反应速率决定污染物的形成与 分解； 点火与熄火与化学过程密切相关。因此化学动力学在燃烧理论中占有重要 的地位[1]。 化学动力学，又被称为反应动力学，是关于化学反应过程速率的研究。化学 动力学涵盖了对不同试验条件如何影响化学反应速度、 得出关于反应机理和转化 状态信息的调研，还包括描述化学反应特征的数学模型的建立。 描述化学反应动力学的数学模型为化学家和化学工程师提供了更易于理解 以及描述化学过程（如：食物腐烂分解、微生物生长、平流层臭氧分解以及生物 系统的复杂化学反应） 的工具。 这些模型也可以被用于化学反应装置的设计和修 改从而优化产品结果、生产更有效率的不同产品和消除有害环境的副产品。当催 化分解重烃类， 生成汽油和轻气时， 动力学模型能够用于发现重烃类在什么温度、 压力条件下分解为汽油的产量最高。 化学动力学可以通过试验的方法进行研究。 动力学测量方法对实验人员来说 是一种相当的挑战。首先，反应发生在一个相当大的不同时间尺度中，几乎涵盖 了从地质时代到亚纳秒级的时间。 我们需要全面多样的方法用于测量跨度如此之 大的这段时期。其次，许多反应涉及复杂的混合物，而有些反应物之间浓度差别 非常大；我们希望能够分别测出各组分的浓度。第三点，我们需要在完成这些测 量的同时不干扰这些混合物的反应——这一点指的是测量浓度的物理方法应用 是非干预性的。最后一点，最好能够自动读取浓度测量结果。我们可以实现的最 基础的测量是得出浓度关于时间的表达式。之后，我们将用多种方法从原始数据 中得出反应速率。 速率表达式本质上是不同的方程式，需要积分求解来判断数据 是否符合表达式。若在考虑了试验数据的误差后，数据和定律匹配度合适，我们 便称拟议的速率表达式和数据是相符的。如果匹配度不是很好，则需要拟定另外